微生物感染一直是对人类健康的重大威胁，造成了极高的死亡率，是许多严重疾病的重要原因，如肺炎、脓毒症和皮肤病等。随着光抗菌剂 (PAMs) 和光学技术的发展，光疗因其侵袭小、不易产生耐药等优点而被认为是最有前途的微生物感染治疗策略之一。有机光抗菌剂 (OPAMs) 由于易于体内代谢，具有较高的生物安全性，因此在治疗微生物感染方面具有很大的潜力。为了对这一研究领域进行及时的回顾，大连理工大学精细化工国家重点实验室彭孝军院士团队综述了基于有机光抗菌剂的光疗策略，希望通过此综述，有机光抗菌剂能够继续发展，并将在未来更广泛地用于微生物感染，特别是在全球新冠疫情日益严峻之际。
首先，光疗到底如何解决抗生素耐药性呢? 第一，病原体中抗生素耐药性的发展更有可能发生在特定的目标结构上，这被称为“key-lock principle”。然而，光疗是一种具有不同靶点的非选择性策略，因此细菌难以对光疗产生耐药性。第二，与大多数抗生素不同，药物内化并不是光疗的先决条件，从而进一步克服了细菌的耐药性。第三，OPAMs还可以与生物膜的主要成分相互作用，因此可以消除由生物膜引起的耐药性。
根据OPAMs的作用方式，光疗策略分为光动力、光热和光催化治疗，产生的活性氧或热可以与细胞膜发生反应，导致细胞质组分渗漏，有效杀灭细菌、真菌、病毒、寄生虫等多种微生物 (图1)。综述中总结了目前常见的有机光抗菌剂的类型，例如，有机光动力抗菌剂包括吩噻嗪类，BODIPY，氧杂蒽类，卟啉类等；有机光热抗菌剂包括吲哚菁绿、聚多巴胺、PEDOT、聚吡咯和聚苯胺等；有机光催化抗菌剂包括g-C3N4和共价有机框架（COF）等。
图1. 抗菌光疗产生ROS或热的光化学反应示意图
有机光抗菌剂是光疗发挥高效抗菌作用的关键，因为它会高度影响治疗的疗效、选择性和安全性。接下来，综述概述了如何设计高效的有机光抗菌剂。首先，可以通过对有机光抗菌剂进行化学结构修饰和改造，使其达到适宜的脂水分配系数、低毒、高选择性、高光转换效率以及有效的组织穿透等目的。例如，可以通过使用带正电荷的基团修饰，或者是将中性或阴离子的光抗菌剂连接到带正电的聚合物上，从而增强与细菌的反应。同时，对于光动力治疗而言，引入重原子/杂原子都是能有效提高活性氧产率的策略。对于光催化治疗而言，进行形貌调控、缺陷工程以及异质结构建均是提高有机光催化抗菌剂治疗效果的方法。 最后，通过与纳米载体、多肽、抗体、噬菌体等细菌靶向技术的结合，也可以提高有机光抗菌剂的抗菌能力。
最后，作者总结了有机光抗菌剂作为治疗药物应用于局部感染、伤口敷料和从医疗设备中生物膜清除等场景。并且未来的研究还应该寻找更多有机光疗可能会应用的场景，例如食品抗菌处理方面具有潜在的实际应用价值；其次，生产抗感染医疗用品，如手套和外科口罩，是有机光抗菌剂的另一个可能应用，特别是在全球新冠肺炎疫情日益严重的当下。
这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是大连理工大学博士后冉蓓，博士研究生王作凯和博士研究生蔡文琳，大连理工大学彭孝军教授为通讯作者。
论文信息：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.1c08679
Organic Photo-antimicrobials: Principles, Molecule Design, and Applications
Bei Ran, Zuokai Wang, Wenlin Cai, Lei Ran, Wenxi Xia, Weijian Liu, and Xiaojun Peng*
J. Am. Chem. Soc, 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c08679